原材料对聚羧酸系减水剂作用效果的影响

前言

混凝土是一个复杂的体系，任何一种组分的变化既会对混凝土的性能产生影响，也会影响聚羧酸系减水剂的作用效果。本文从混凝土中掺合料、集料等原材料入手，介绍原材料对聚羧酸系减水剂作用效果的影响，希望对聚羧酸系减水剂的安全、高效应用有所裨益。

作为第三代减水剂，聚羧酸系减水剂由于其掺量低、减水率高、增强效果好以及分子设计性强的特点，生产量日益增大，在实际工程中应用的范围也越来越广。然而，在聚羧酸系减水剂三十多年的发展过程中，关于其作用效果的敏感性问题，一直影响着产品生产者和产品应用者，不时出现的适应性难题困扰了多数专业人员，让人对聚羧酸系减水剂既“爱”又“恨”！聚羧酸系减水剂的应用效果对混凝土原材料细微的变化、混凝土配合比细微的变化、环境的细微变化等都极为敏感。

原材料对聚羧酸系减水剂作用效果的影响


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矿物掺合料
矿物掺合料是在水泥净浆、砂浆或混凝土拌制前或拌制过程中加入的、可以减少水泥用量并改善新拌和硬化混凝土性能的矿物类物质。常用的矿物掺合料主要有矿渣粉、硅灰和粉煤灰等。矿物掺合料一般用量较大，其与聚羧酸系减水剂的相容性不容忽视。

此外，由于优质的粉煤灰含有大量铝硅酸盐玻璃微珠，表面比较光滑，颗粒细小，微观上呈圆球状，可以起到滚珠轴承的作用，在水泥颗粒间起着滚珠作用，减少摩擦阻力，提高流动性，这也是优质粉煤灰可以提高聚羧酸系减水剂分散性能的一个重要原因。

李志坤等对矿物掺合料对聚羧酸系减水剂相容性进行了研究。他首先对比了两种不同烧失量的粉煤灰FA1和FA2(FA1的烧失量为4.2%，FA2的烧失量为3.8)，发现，随着粉煤灰掺量的增加，水泥净浆初始流动度都会增大，而30min和60min时的净浆流动度随FA1掺量的增加而降低，随FA2掺量的增加基本保持不变。这是由于粉煤灰中残存着碳颗粒对聚羧酸系减水剂有较大吸附所致。可见，烧失量较低的粉煤灰对聚羧酸系减水剂的作用效果有增进作用，而随着粉煤灰烧失量的增加，聚羧酸系减水剂的作用效果会变差。

李志坤等还研究了矿渣粉对聚羧酸系减水剂作用效果的影响。研究表明，水泥净浆初始流动度随矿渣粉掺量的增加而呈增大的趋势，经时净浆流动度也比初始净浆流动度有所上升。

伍勇华等对聚羧酸系减水剂在水泥、矿渣粉和粉煤灰表面的吸附行为进行了研究。结果发现，聚羧酸系减水剂在三种颗粒表面的吸附量差异很大，硅酸盐水泥对聚羧酸系减水剂的吸附量最大，矿渣粉次之，粉煤灰最低，后两者的低吸附量有利于提高游离聚羧酸系减水剂的数量，从而提高其分散性能。


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硅灰
硅灰作为矿物掺合料，虽然不常被使用，但在超高强混凝土、高耐久性混凝土和超高性能混凝土中占有重要地位。硅灰在混凝土中主要有两个效应：

一是填充作用，硅灰的颗粒粒径一般在0.2μm左右，在水泥颗粒堆积体系中能够填充在水泥颗粒堆积后形成的空隙中，而浆体硬化后能够填充水化产物间的毛细孔隙；

另一个是火山灰效应，硅灰能够与水泥水化产物产生的氢氧化钙发生二次火山灰反应，生成C-S-H凝胶，进一步密实混凝土。与矿渣粉和粉煤灰不同，硅灰并不能提高聚羧酸系减水剂的分散效果，当硅灰掺量过高时反而不利于聚羧酸系减水剂的分散效果，其原因在于硅灰的颗粒极细，比表面积较大(可达15000m2/kg以上)，会吸附大量聚羧酸系减水剂，因而大幅增加聚羧酸系减水剂的饱和掺量。

SCHRÖFL C等对超高强混凝土中各组分与聚羧酸系减水剂之间的相互作用进行了研究，从水泥与硅灰对聚羧酸系减水剂吸附情况的对比可以看出，硅灰对于聚羧酸系减水剂的吸附量要大于水泥，硅灰的加入会与水泥形成竞争吸附的现象，从而降低聚羧酸系减水剂对水泥的分散效果。


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偏高岭土、活化煤矸石和沸石粉
与粉煤灰、矿渣粉和硅灰相比，偏高岭土、活化煤矸石和沸石粉作为矿物掺合料使用的时间还较短，使用范围也较窄。但偏高岭土、活化煤矸石和沸石粉对聚羧酸系减水剂作用效果的负面影响不容忽视。

偏高岭土是以高岭土为原料，经一定温度煅烧脱水形成的无水硅酸铝，其分子排列不规则，呈现热力学介稳状态，具有较高的火山灰活性，因此可以作为矿物掺合料使用。但是偏高岭土作为脱水产物，具有较强的吸水倾向，在一定程度上会降低减水剂的减水效果，同时偏高岭土与水泥水化产物之间的二次反应迅速，絮凝结构形成较快，凝结时间较短，要延缓该反应需要较多的减水剂。

煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，粘土类煤矸石中含有大量的硅酸盐和硅铝酸盐，一般以高岭石的形式存在，它们在高温焙烧过程中发生强烈的吸热反应和脱水作用，并表现出一定的活性。

但是在焙烧过程中活化煤矸石产生大量开口微孔，且本身亲水性较强，会吸附大量聚羧酸系减水剂分子，因此，活化煤矸石会对聚羧酸系减水剂的作用效果产生负面影响。于龙等]对活化煤矸石、粉煤灰和矿渣粉对聚羧酸系减水剂减水效果的影响进行了研究，发现活化煤矸石对浆体流动度呈现十分明显的负面影响，仅掺入10%的活化煤矸石就会使浆体的流动性明显减小。

沸石是一种软质多孔材料，内部有大量的空腔，表现为内比表面积非常大，对聚羧酸系减水剂的吸附强烈，而且其结构中硅（铝）氧四面体结构空间的需水量较大，加水拌和开始时会有一部分水被沸石颗粒吸入内部的空腔，从而导致自由水量的减少，不利于聚羧酸系减水剂发挥分散效果。

孙媛等对多种矿物掺合料取代水泥后与减水剂适应性的变化进行了研究，研究发现，沸石粉即使替代率很低也会引起浆体流动性损失的加剧，同时这种损失主要出现在(60-120)min，但当沸石粉掺量达到15%以上时，流动性损失的现象会提前到（0-60）min。


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粗集料和细集料
粗集料和细集料的品质会对聚羧酸系减水剂的作用效果产生影响。粗、细集料中对聚羧酸系减水剂产生影响的因素主要是石粉含量、含泥量和泥块含量，这里主要讨论石粉含量和含泥量的影响

（1）含泥量

粗细集料在使用前不可能进行彻底清洗，难免含有一定的泥粉。砂、石含泥量所指的泥一般是指按规定要求可以从砂石中冲洗出来的，粒径在规定数值以下的黏土、尘屑和淤泥；其中主要是黏土。黏土是一种成层状或层链状分布的硅酸盐矿物集合体，主要包括高岭石、蒙脱石、伊利石等。黏土的层间结构对于聚羧酸系减水剂具有很强的吸附作用，大大减少了在水泥浆体中起分散作用的减水剂分子数量，从而严重降低聚羧酸系减水剂的作用效果。

（2）石粉

目前常用的细集料分为天然砂和机制砂，机制砂在生产过程中不可避免地会产生石粉，研究认为，石粉对混凝土性能的影响分为两方面：一方面，石粉颗粒表面致密光滑，吸水能力相对较弱，同等水灰比下增加了用于分散的自由水，减小了水泥颗粒之间的摩擦阻力，同时石粉也具有微集料填充效应，可以改善水泥浆体的流动性；另一方面，石粉可以作为氢氧化钙的结晶核从而加速水泥颗粒的水化。

陈龙等就磨细石粉对减水剂与水泥适应性的影响进行了研究，发现石粉的存在有利于改善减水剂的分散效果，因而认为聚羧酸系减水剂与集料中的石粉适应性良好。